大型焊接储煤钢板仓的结构设计和稳定性分析.docx
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大型焊接储煤钢板仓的结构设计和稳定性分析
大型焊接储煤钢板仓的结构设计和稳定性分析*
严仁章陈志华王小盾
（天津大学建筑工程学院，天津300072）
摘要:
钢板筒仓具有混凝土筒仓无法比拟的优势，其应用已越来越广泛，但其理论研究还相对滞后，尤其
对于储煤用大型钢板筒仓的设计尚没有明确的标准指导。
结合一拟建储煤钢板筒仓，根据其现场生产条件和工艺要求分析钢板筒仓的结构选型和布置方案;利用Midas/Gen有限元软件建立仓体和仓顶组装成的整体模型，并对其进行结构静力性能的分析，揭示结构在不同受力状态下的应力分布特征和变形特征，验证结构布置的合理性和安全性。
利用有限元分析软件ANSYS对仓体分别进行空仓状态和实仓状态下的特征值屈曲分析，发现实仓状态下的第一阶屈曲特征值较空仓状态减小了86.85%;研究水平环向压力对仓体临界承载力的影响，发现实仓在水平环向压力作用下第一阶屈曲特征值提高了89.15%;最后对仓体进行了考虑材料和几何双重非线性的稳定分析，得到结构的实际极限承载能力，发现钢板筒仓是一种非线性非常明显的结构。
关键词:
储煤钢板筒仓;结构布置;静力;屈曲;非线性;有限元
DOI:
10.13204/j．gyjz201410031
STＲUCTUＲEDESIGNANDSTABILITYANALYSISOFALAＲGEWELDED
STEELSILOFOＲCOALSTOＲAGE
YanＲenzhangChenZhihuaWangXiaodun
（SchoolofCivilandArchitecturalEngineering，TianjinUniversity，Tianjin300072，China）
Abstract:
Asthesteelsilohasincomparableadvantagesovertheconcretesilo，itiswidelyusedinmanyfields，
however，itstheoreticalresearchisrelativelylaggingbehind，andespeciallythereisnoanyclearspecificationtoguidethedesignofalargersteelsiloforcoalstorage．Basedonthesiteoperatingconditionsandtechnologicalrequirements，thestructurearrangementandthestructure’sformofaproposedsteelsiloforcoalstoragewereanalyzed．TheentiremodelassembledwiththesilobodyandtheroofwasbuiltupwithFEAsoftwareMidas/Gen，anditsstaticperformancewasanalyzed，thefeaturesofthestressdistributionanddeformationdistributionunderdifferentloadsweregot，andtherationalityofthestructurearrangementanditssecuritywerealsoverified．EigenvaluebucklinganalysisonbothemptysiloandfullsilowerecarriedoutwithFEAsoftwareANSYS，showingthatthefirstorderbucklingeigenvalueofthefullsilowasdecreasedby86.85%．Theinfluenceoftheringpressure，producedbythecoal，onimprovingtheultimatebearingcapacitywasalsostudied，anditwasfoundthatthefirstorderbucklingeigenvaluewasincreasedby89.15%whenconsideringtheringpressure．Finallyanon-linearanalysiswascarriedout，basedonboththematerialnonlinearityandthegeometrynonlinearity，obtainingtheactualultimatebearingcapacityofthesilostructure，findingthatthesteelplatesiloisakindofnonlinearstructure．
Keywords:
steelsiloforcoalstorage;structurearrangement;static;buckling;non-linear;FEA
效果好等优点，但是其承载能力低，主要运用于小规
模的筒仓结构中;螺旋式钢板仓又称为利浦仓，具有整体性能好，寿命长，施工方便等优点。
我国的钢板仓发展集中于20世纪90年代，当时主要应用于储粮，进入21世纪后才得到了快速发展，建设规模也
钢结构具有轻质高强、整体性能好、施工方便、
绿色环保等优点，将钢材用于筒仓结构，代替传统的砌体、混凝土筒仓，是未来仓库发展的一个趋势。
钢板仓的发展共经历了四个阶段［1］:
铆接式钢板仓、焊接式钢板仓（图1a）、装配式钢板仓（图1b）和螺旋式钢板仓（图1c）。
铆接式钢板仓具有坚实牢固的优点，但其施工费工费时，已遭淘汰;焊接式钢板仓具有承载能力高，工艺布局灵活的优点;装配式钢板仓属于薄壁仓，具有质轻、工业化程度高和防腐蚀
158IndustrialConstructionVol.44，No.10，2014
*天津大学自主创新基金资助项目（1304）。
第一作者:
严仁章，男，1987年出生，博士研究生。
通讯作者:
王小盾，maodun2004@126．com。
收稿日期:
2014－03－20
工业建筑2014年第44卷第10期
由小变大，应用领域逐渐趋于多元化。
a—焊接钢板仓;b—装配式钢板仓;c—利浦仓
图13种钢板仓
Fig．1Thephotosofthreesortsofsteelsilos
1—原煤进车间输送皮带;2—仓顶系统，3层（2台刮板机，
1台破碎顶）;3—原煤运输皮带;4—配重间;5—成品煤进仓输送皮带;6—原煤混凝土筒仓;7—成品煤混凝土筒仓图2厂区实景
Fig．2Thesceneofworkshop
钢板仓结构虽已有大量的工程实践，但其理论
研究相对较少。
对于钢板筒仓的设计与分析，各个行业根据各自的特点制定了相应的行业标准，如GB
50341—2003《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》、SH3078—1996《立式圆筒形钢制和铝制料仓设计规范》、JB/T4735—1997《钢制焊接常压容器》和GB50322—2011《粮食钢板筒仓设计规范》等。
它们对促进钢板筒仓的发展起到了非常大的推动作用，但是其应用具有一定的局限性。
当钢板筒仓应用于煤炭行业时，筒仓所处的自然环境，煤这种储料对于钢板筒仓的力学作用和化学作用、储煤工艺对钢板筒仓的要求以及储煤筒仓的规模等均不同于其他领域［2］，不能完全照搬其他行业标准中的设计方法。
本文正是在这种背景下，对一拟建大规模储煤钢板筒仓进行有限元分析，在研究其静力性能的基础上，分析钢板筒仓在空仓和实仓状态下的稳定性，为以后类似工程的设计提供参考。
1—15×28混凝土筒仓;2—仓顶系统;
3—拟建钢板仓可用空间;4—皮带栈桥
图3已建原煤混凝土筒仓及仓底运输皮带栈桥立面
Fig．3Verticalviewoftheoriginalconcretesiloforcoalstorageandthetrestlebelowthesilo
满足目前的生产需求，遂拟建1万t级原煤储存筒
仓分担已有2个原煤混凝土筒仓的储煤能力，以提高洗煤厂的生产效率。
为了降低建设成本，拟建筒仓除了需要满足容量大、建设周期短等要求外，还必须要与已有原煤混凝土筒仓形成系统，共用原煤混凝土筒仓顶部的分煤系统和原煤混凝土筒仓底部的输煤系统，这就要求拟建筒仓从仓体形式、结构选型和几何尺寸上均要精心设计。
由于钢板仓相比混凝土筒仓具有质量轻、强度高、施工快等诸多优点，本工程拟建筒仓优先选用钢板筒仓。
考虑到螺旋式钢板仓和装配式钢板仓本身的技术特点，在本工程所能提供的条件下不能满足万吨储煤容量的要求，决定在本工程中采用大型焊接钢板仓。
大型焊接钢板仓，也称为钢板库，主要是由钢板焊接而成，仓体规模理论上不受限制，直径最大可达60m。
1
工程背景
拟建储煤钢板筒仓，位于我国煤资源丰富的山西
平朔地区，主要用于洗煤厂储存直接由矿井下输送来
的原煤。
现场已有2个已投入运营的15m×28m的3000t级原煤混凝土筒仓，如图2所示为未建钢板筒仓前厂区全貌图，原煤从矿井下通过皮带传输系统输送至原煤混凝土筒仓上部的分煤系统内，分煤系统利用刮板机等设备将原煤处理后分刮至两个混凝土筒仓内，整个仓顶系统置于2个高28m的原煤混凝土筒仓顶部，共3层。
原煤混凝土筒仓仓体从地上约
20m处开始收缩筒仓内径，于离地面4.4m处收口形成漏斗，漏斗口处设4个出料口，每个出料口下2.4m范围内装设给料机，给料机将筒仓内的原煤输送至离地面约1.6m的传输皮带上，由皮带输送至厂房内车间完成煤的加工，已建原煤混凝土筒仓及仓底皮带栈桥运输系统立面示意如图3所示。
由于近年来机械设备的改进及供煤需求量的增大，已有2个原煤混凝土筒仓的储煤容量不能
大型焊接储煤钢板仓的结构设计和稳定性分析———严仁章，等
2结构布置
为了保证拟建钢板筒仓能与混凝土筒仓形成系
159
统，共用已有输煤系统，钢板仓总体高度应小于
28m，结合现场工艺条件，钢板筒仓可利用空间如图3所示，位于已建混凝土筒仓旁，需架设于仓底皮带栈桥之上。
根据现场空间的可利用性，钢板筒仓直径取为26m，仓体高度取为18.5m，支承于6.5m高的混凝土环梁上，混凝土环梁下设16根混凝土柱架空于皮带栈桥上方。
仓底采用混凝土底板，并设置一定的坡度（17°）。
在混凝土底板上设置5个出料口，中间洞口尺寸为1m×1m的矩形洞口，周围对称布置4个800mm×800mm的矩形洞口。
钢板筒仓仓体沿其高度剖面示意如图4所示，整个钢板筒仓仓体跨越一宽4.4m且斜向上的传输皮带栈桥，由于给料机设备的要求，皮带与仓底出料口的距离不得小于2.4m。
仓体库壁在高度方向由13圈厚度不一的钢板带通过焊缝搭接而成，搭接长度不小于5t（t为钢板厚度），钢板带的布置及各层钢板厚度如表1所示。
为了保证仓体的稳定，沿圆周方向均匀设置40道通长C20a纵向加劲肋，沿高度方向在每一圈钢板带中间位置设置1道环向加劲肋C10，共13道，另外，考虑到仓顶与仓体的连接，在仓体的顶部加设1道环向加劲肋┗120×12，仓体加
劲肋的布置如图5所示。
仓顶采用肋环型单层网
壳，如图6所示，单层网壳矢高取为3m，且在网壳顶部形成一直径为5m的平台。
单层网壳表面铺装一层1mm厚钢板，沿其网壳直径方向均匀开设5个
800mm×1000mm的洞口，供仓顶系统落料使用。
在钢板筒仓仓体外围布置1道盘旋而上的螺旋爬梯。
表1筒仓壁板的板厚
Table1Specificationofthethicknessofthewallplateforthesilo
位置（自下而上）
高度/m
板厚/mm
1圈
2～3圈
4～6圈
7～10圈
11～12圈
13圈
1.50
1.45
1.45
1.45
1.45
1.05
14
12
10
8
6
8
1—40道纵向加劲肋C20a;2—14道环向加劲肋C10
图5仓体加劲肋布置示意
Fig．5Thearrangementofthestiffeningribsofthesilo
图6仓顶网壳模型
Fig．6Modelofthereticulatedshellonthetopofthesilo
的正常动作。
因此本工程建设过程难度大、精度控制
要求高，同时钢板仓的规模巨大，且直径26m的规模已位于国内钢板仓前列。
而我国目前尚无一套完善的设计理论体系来指导大规模钢板仓的设计与施工，只能借鉴GB50322—2011《钢筋混凝土筒仓设计规范》［3］和GB50077—2003《粮食钢板筒仓设计规范》［4］以及国外的设计经验来完成储煤钢板仓的设计与分析［5］，因此，针对本工程规模大的情况和原煤贮料对钢板筒仓建立有限元模型，按照结构实际承受的荷载对其进行详细的分析显得非常重要。
3.1有限元模型
利用有限元软件Midas/Gen建立钢板筒仓仓体和仓顶的有限元模型。
对于仓体，以薄壳单元模拟钢板仓壁;用梁单元模拟纵向肋和环向肋。
为了实现加劲肋与钢板间的连接，在划分单元网格时，钢板仓沿圆周方向在布置纵向肋的位置剖分成40份，沿高度方向在布置环向肋的位置即每一板带的中间高度位置将其划分成上下2份。
仓底与混凝土底板固
1—5m平台;2—仓顶;3—26m钢板筒仓仓体;
4—出料口;5—给料机;6—皮带栈桥图4钢板筒仓剖面示意
Fig．4Theprofileofthesteelsilo
3结构静力分析
根据上述分析可知，拟建钢板筒仓是在已建设备设施上建造，需要充分考虑现场条件，合理布局结构，不得影响已建建筑的正常生产，保证工厂生产线
160
工业建筑2014年第44卷第10期
接。
仓顶单层网壳杆件采用梁单元模拟，杆件采用
的主要截面有HN125×60×6×8、HN100×50×5×
7，在仓顶洞口处由于受到设备较大的集中荷载，对其进行局部加强，洞口处杆件截面采用HN150×
75×5×7。
仓顶和仓体通过下环梁进行组装，即仓顶单层网壳的下环梁同时为仓体顶部的一道环向加劲肋。
钢板筒仓有限元模型如图7所示，其中包括
1040个板单元和2294个梁单元。
钢板仓采用Q345钢材，材料的屈服强度fy=310MPa，弹性模量E=2.06×1011Pa，泊松比υ=0.3，密度ρ=7.85×
103kg/m3，线膨胀系数α=1.2×10－5℃－1。
荷载设计值，即贮料荷载的分项系数取为1.3，地震
作用分项系数取1.3，风荷载分项系数取1.4。
［5］
{
}
γρ（1－e－μKS/ρ），K
μ
（1a）
P=max
γ
S
h
（1b）
Pv
=γS
式中:
γ为储煤的重力密度，取γ=16kN/m3;ρ为筒
仓的水力半径，取ρ=dn/4=6.5m;μ为煤与钢板仓仓壁的摩擦系数，取υ=0.45;为煤的内摩擦角，取=35;K为煤对钢板仓仓壁的侧压力系数，取
K=tan2（45－/2）=0.271;S为贮煤顶面到计算截面的高度，计算分析时按满仓考虑。
风荷载按式
（2）计算:
（2）
wk
=βμsμzw0
2
式中:
w0为基本风压，取w0=0.55kN/m;β为风振
系数，取β=1.8;μs为体型系数，整体计算时取μs=
1.0;μz为风压高度变化系数，取μz=1.5，因此由式
2
a—板单元模型;b—梁单元模型
图7钢板筒仓有限元模型
Fig．7Finiteelementmodelofthesteelsilo
（2）计算可得方程的wk为1.35kN/m。
3.3计算结果
提取整体结构在包络工况下的组合应力云图，如图8所示。
从图8a可以看出，在包络工况下，板单元的最大组合应力为123.8MPa。
由于钢板仓底部第一圈钢板带的下边缘被约束，最大应力出现的区域主要位于底部第一圈板带和第二圈板带接触的区域。
钢板仓其他区域的应力水平均较低，位于顶部的钢板应力最小，不足20MPa，可见钢板仓的钢板在荷载作用下处于较低的应力水平，具有足够的安全储备。
从图8b可以看出，在包络工况下钢板仓的纵向加劲肋在根部将出现较大的拉应力水平，达到255.63MPa，分析其原因是因为在钢板仓的底部受到储料对其的水平环向压力最大，从而纵向加劲肋有与钢板带和环向加劲肋一起沿径向往外扩张的趋势，但由于纵向加劲肋在根部被约束从而阻止了这个趋势，使得此区段的纵向加劲肋梁单元内产生了较大的不平衡应力;在包络工况下仓顶单层网壳的根部将出现较大的压应力，达到274.53MPa，这是因为上部网壳汇聚了仓顶竖向荷载后转化为网壳面内的力流并通过径向杆件流向仓体，也即仓顶所承受的所有竖向荷载均通过仓顶根部的径向杆件传递给仓体，因此根部的径向杆件受力最大。
同时，上部网壳杆件的径向杆件均以受压为主，环向杆件以受拉为主，这也验证了肋环型单层网壳的传力机制。
为了更为直观地观察钢板仓的应力分布，沿钢
计算荷载
筒仓主要承受的荷载包括仓顶荷载和仓体荷载两部分，仓顶荷载包括仓顶自身和安装在其上的设备自重、活荷载（2kN/m2）、雪荷载（0.5kN/m2）、温度作用和地震作用等。
仓体荷载包括仓体钢板和加劲肋的自重、储煤对仓壁的储料荷载、风荷载、温度作用和地震作用等［6－8］。
结合本工程所处位置一年的温差变化，取温度T=±30℃。
在符合散体理论的前提下，筒仓内贮料对仓壁结构的影响作用规律将随筒仓的高宽比发生变化，GB50322—2011中规定筒仓内储料计算高度hn与
仓内径dn比值小于1.5的筒仓为浅仓。
本项目中的筒仓在储满煤且上表面为水平时其计算高度hn可取到最大，为hn=18.5m，则hn/dn=0.71＜1.5，因此该仓为浅仓。
对于浅仓，储料荷载包括作用于
仓壁上的水平压力Ph和作用于仓壁上的竖向摩擦力Pv，Ph和Pv分别按式
（1）计算。
考虑到贮料荷载随钢板仓高度变化而变化，为了施加荷载的方便，在Midas/Gen程序中采取等效的方式施加贮料荷载，即计算出每块板单元中心线高度处的Ph和Pv后直接以均布荷载形式施加于该板单元上。
由于单元划分较密，其计算结果已能达到计算精度。
本工程的抗震设防烈度为7度，故只考虑水平地震作用，重力荷载代表值取满仓煤总重的80%，为了施加方便，在Midas/Gen程序中将满仓煤总重的80%等效为竖向均布面荷载施加于所有钢板单元上。
计算时取
大型焊接储煤钢板仓的结构设计和稳定性分析———严仁章，等
3.2
板仓高度方向提取钢板在“1.2自重+1.3Phk
+
1.3Pvk+1.2仓顶恒荷载+1.4仓顶活荷载+0.84
升温”工况下的应力，在该工况下由于钢板仓为一
161
4钢板仓的稳定性分析
钢板筒仓结构属于圆柱薄壳结构，钢板除了承受板所在面内的荷载外还承受面外的横向荷载，结构本身受力复杂，且钢板厚度较小，较混凝土筒仓结构容易发生失稳。
对于圆柱薄壳的稳定理论，国内外对其研究已较为成熟，并给出了理想圆柱壳在轴压下的弹性经典屈曲应力，如式（3）所示［9－10］。
a—板单元;b—梁单元
图8包络工况下结构应力云图
MPa
1Et
Et
Ｒ
Et
Ｒ
Fig．8Stressdistributionunderenvelopcondition
（3）
σcr
=
=k
≈0.605
Ｒ
槡3（1－υ）
2
高度对称布置，其应力分布也完全对称，即同一高度
上钢板的应力分布相同。
图9所示为钢板在该工况下沿钢板仓计算深度的应力分布条形图，图中:
σzs为板单元的vonMises有效应力;σt为板单元沿环向的拉应力;σc为板单元沿竖向的压应力。
由图9可知，钢板仓中的钢板在自重、仓顶荷载、温度作用和储料作用下主要承受竖向的压应力σc和环向的拉应力σt，且除了仓体的底部和顶部外，σc和σt的分布规律一致，即随着计算深度的增加而增大，但是钢板承受的环向拉应力σt远大于竖向的压应力σc。
式中
为泊松比。
;Ｒ为筒仓半径;υ
式（3）是根据解析的方式给出长筒圆柱壳在单
向均匀压力作用下的临界应力，没有考虑结构双向应力的作用。
对于筒仓结构，仓内贮料对筒仓将会产生水平的环向压力Ph，在钢板中将会产生大小为
PhＲ
的环向拉应力。
因此钢板将同时承受竖向的压
t
应力和环向的拉应力，钢板单元的受力示意如图11
所示。
对于这种复杂的受力状态不能简单地用式（3）来计算。
根据有限元原理可知，板单元的几何刚度矩阵如式（4）所示［11］。
图11钢板仓板单元受力示意
Fig．11Forcediagramofplateelementofthesilo
σzs;
σt;
σc
图9钢板应力随深度分布
Fig．9Ｒelat
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